為何愛因斯坦優雅的相對論能經受住時間的考驗?

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:是時候該重新審視愛因斯坦的相對論了嗎?

回答:開始審視愛因斯坦的相對論?早在100多年前,當相對論的最終版本還未發表時,這項工作就已經開始了。

但這是一項十分艱鉅的任務。不僅因為這個理論總體上與觀測結果(即便對於更為古怪的預測)十分一致,同時它也極少依賴假設,所以這是一個非常“完善”的理論,以至於後人很難再對它進行修改。

為何愛因斯坦優雅的相對論能經受住時間的考驗?

圖源:forbes

假設你只做了一個非常,非常微小的改變。砰,你發現太陽系裡光的彎曲被你弄亂了,它同時依賴於空間和時間的曲率。去掉其中的任何一個,或者僅僅改變它們的相對比例,你就已經嚴重地與一系列太陽系的實驗相矛盾了。這些實驗不僅涉及到光,還與精確測量那些從太陽或者行星旁擦邊而過的航天器無線電信號有關。

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圖源:physics.stackexchange

你意識到,至少對於線性近似,這個理論和愛因斯坦的理論是一致的。沒關係,那我們就來做一些只干擾非線性部分的事吧!究竟誰需要非線性引力(就是說,引力作用於它自身)呢?你拿出你那個美好的、閃閃發光的新理論,結果發現你只預測了水星近日點預測進展的3/4,你只能羞愧地把它給藏起來。唉。

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圖源:r18worker.info

好吧,沒事,一階條件下就算是非線性的結果也必須和愛因斯坦的理論一致。但是,我們一定可以期待點別的事兒。比如這個有關伯克霍夫定理的謬論是怎麼回事:一個脈動引力單極子並不發射引力波?讓我們來校正它吧,但接著會有人提醒你,我們從20世紀70年代就開始觀測的脈衝雙星顯示沒有任何證據可以證實動能會以單極引力輻射的形式損失。

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圖源:YouTube

算了,不管那個。我們需要一些新的根據。局域洛倫茲-龐加萊不變性是廣義相對論(它的假設之一)的一個基石。我們可以把它放寬一點嗎?當然可以,直到你發現在你的新理論裡,一個電子在引力場中轉了一圈後回到它的起始位置,它的電荷和原來不一樣了。誒!

為何愛因斯坦優雅的相對論能經受住時間的考驗?

圖源:Pinterest

如我所說,這個理論十分嚴密。這並不是說它沒有修改的餘地,但是理論家們必須十分嚴謹精確。即使這樣,討厭的結果也可能會悄悄出現,在你發覺之前毀掉這個美好的理論。或許你能解決這個問題,但只能以增加成堆的額外假設為代價,就像在創口貼上又貼上創可貼,所以到最後,甚至連你自己都不再相信你自己的理論了。

這就是為什麼愛因斯坦的理論已經承受住了100多年的考驗。它確實是一個非常優雅,可靠的理論,使得許多奇怪的預測被觀測證實,有時甚至有著極高的精確度。

事實上,這有一張美國國家航空航天局曾展示過的圖表,它顯示了已修正的引力理論與愛因斯坦理論之間的觀測界限:

為何愛因斯坦優雅的相對論能經受住時間的考驗?

圖源:Quora

它明確地展示了兩個所謂的愛丁頓參數,它們被用來測量一個理論會在何種程度上偏離愛因斯坦的引力(表示為β=γ=1)。如你所見,這個界限十分嚴格。當然,我們可以以一種更加微妙的方式去構建一個偏離愛因斯坦的理論,但就像我在上面說過的,這是一個十分艱鉅的任務。想象一下,某個地方有一塊墓地,豎著非常、非常多的墓碑,每一個墓碑上都刻著一個方程,那全是一次次至今未能成功修改廣義相對論的嘗試。

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. forbes-折桂令

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